小朋友一天可以流多少口水？──2019搞笑諾貝爾化學獎

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

「您去找家庭醫學科或牙科做年度健檢時，可以進行漱口檢測。」2023 年 8 月《口腔健康前沿》（Frontiers in Oral Health）期刊加拿大論文的共同作者，誠心推薦：「這個簡單的口腔發炎評估工具，能於任何診所實施。」「優良的口腔衛生，跟定期看牙一樣，總是備受推崇，特別是看在此證據的份上。」通訊作者也在一旁幫腔。^[1]所以，他們到底是研究什麼口腔疾患？ 誤會大了，重點是心臟病啊！

研究設計

研究團隊招募了 18 至 30 歲之間，不抽菸、BMI 小於 30 kg/m²，沒有高血壓與心血管疾病，且常規藥物不會影響相關功能的 16 名男性跟 12 名女性，總共 28 名受試者。其中女性採樣時間必須在月經頭 2 天；口服避孕藥使用者為服用安慰劑期間；^[註]其餘避孕方式則一律排除。研究團隊希望藉由篩選的條件，盡力避開老化、個人宿疾、特定生理差異等，各種會干擾結果的因素。^[2]

人都找好之後，試驗步驟大致如下：8 小時內避免運動和攝取任何咖啡因或酒精，並且除了飲水外，禁食 6 小時。正式採樣當天，先測量身高、體重，用自來水潄口 10 秒，吐掉；稍候2分鐘，又以 10 毫升的生理食鹽水漱個 30 秒，再吐進 20 毫升的唾液收集管，送驗口腔嗜中性白血球計數（oral neutrophil counts）。接著平躺至少 10 分鐘，以心電圖測量心律；然後維持同樣的姿勢，測量血壓、脈波速率（pulse wave velocity）和肱動脈血流介導舒張（brachial artery flow-mediated dilation）。^[2]

口腔嗜中性白血球計數是牙齦發炎程度的指標。檢體與 4% 的甲醛混合，冷藏於 4°C 的冰箱內直到檢驗，不得超過2天。經過離心機高速轉動處理後，除去上層澄清的液體，將沉澱的細胞與 500 µl 的 Hank’s 平衡鹽溶液混合。以 4 µg 的吖啶橙（Acridine orange）染劑，為其中 250 µl 的細胞上色，並靜置於室溫的暗房裡 15 分鐘。取出稀釋 10 倍，於顯微鏡下放大 200 和 400 倍，以血球計數盤（haemocytometer）輔助，肉眼計算嗜中性白血球的數量。^[2]

另外，脈波速率是感測脖子與大腿內側的脈搏，以二者的距離和脈波傳導的時間差計算速率，進而瞭解動脈的硬度：^{[2, 3]}脈波速率愈快，代表血管壁愈硬。肱動脈血流介導舒張則是暫時阻塞血流再放行，透過超音波取得影像，以上臂肱動脈直徑變化的百分比，來反映其內皮功能的情形。^[2]

漱口檢測的原理

受試者雖然沒有已知的口腔問題，但是某些其實有程度不等的牙齦發炎。研究團隊從上述諸多檢測的結果，歸納出一個明顯的現象：當口腔發炎愈嚴重，嗜中性白血球計數愈高；肱動脈舒張的變化就越小，即血管內皮功能越差。其他項目則沒有特別的關聯。^[2]

他們解釋，這是因為細菌組成的生物膜，也就是牙菌斑（dental plaque），所分泌的代謝物，滲透過牙齦溝（sulcus）上的連接上皮（junctional epithelium），擴散進入血流。於是，口腔發炎就變成系統性的發炎。此時，系統內的發炎性細胞素（inflammatory cytokines）濃度上升，因而減少血管內皮的一氧化氮（nitric oxide）產量，間接削弱血管舒張的能力，久而久之就容易得到動脈粥狀硬化（atherosclerosis）。^[2]

比起繁複或侵入性的心血管檢測，漱口絕對方便舒適許多。不過，現在這個前驅研究的規模甚小，因此論文的通訊作者表示，期望未來能納入牙周病患者，進一步探索不同程度的牙齦發炎，與心血管疾病的關係。^[1]

備註

口服避孕藥每份有 28 顆，其中 21 或 24 顆含荷爾蒙，其餘的則為安慰劑。^[4]

參考資料

1. Gillham AB. (18 AUG 2023) ‘A simple mouth rinse could spot early heart disease risk’. Frontiers Science News.
2. Hong K, Ghafari A, Mei Y, et al. (2023) ‘Oral inflammatory load predicts vascular function in a young adult population: a pilot study’. Frontiers in Oral Health, 4:1233881.
3. ‘Measurement of pulse wave velocity’. (03 JUL 2013) NHS Health Research Authority, U.K.
4. ‘The pill (combined oral contraceptive pill)’. (JUN 2023) Healthdirect Australia.

曾經有過一段黃金時代，音樂家和工程師們想要聯手為電吉他做一個新的拾音器、合成器或很棒的破音踏板，只是時機已逝。當杜蘭．杜蘭（Duran Duran）的鍵盤手尼克．羅德斯（Nick Rhodes，1980 年代的英國流行歌手）和倫敦帝國學院的工程學教授克里斯．圖馬祖（Chris Toumazou）在 2015 年的一次飛行旅途中相遇，他們並沒有談到音樂，反而成立了一家消費者 DNA 公司：GeneU。

根據DNA訂製護膚品，只需要吐一口口水

在 GeneU 位於倫敦龐德街（Bond Street）的豪華商店中，銷售員們都有博士學位，而顧客只需花 1,000 美元，就可以將口水吐入試管中，並且在 30 分鐘後收到一份根據自己 DNA 訂製的護膚產品。想像一下，把美國最大彩妝店絲芙蘭（Sephora）置入《2001 年太空漫遊》（2001 Space Odyssey）的情境裡，但更加奢華，而且跟吐口水有關。

合作並沒有成功，並且在 2019 年關閉了商店。然而以 DNA 為號召的美容服務在網際網路上崛起的速度還是比老太太臉上長出皺紋的速度更快。這些公司掃瞄你的染色體，尋找可能影響膠原蛋白分解、曬斑、皺紋、破壞自由基甚至是恐怖的橘皮組織風險的任何相關遺傳變異。許多商店根據你的 DNA 訂製的面霜或保濕霜的售價都過高。誰不想擁有 20 歲的漂亮皮膚紋理，即使那意味著要花一些錢？你說是吧。但是在忍痛為根據 DNA 訂製的護膚療程花費數百歐元之前，最好確認它的效果會比一般產品更好。將遺傳訊息用於美容潤膚乳是否有真正的優勢？DNA 會說出哪些你還不知道的皮膚訊息？

只要有科學根據就可以永遠年輕？

皮膚的衰老絕對有很強的遺傳成分存在。DNA 佔皮膚衰老過程中個體差異因素約 60%，而其餘 40% 則取決於環境與生活方式，其中陽光照射和吸煙居首位。

科學論文和消費者基因體學公司堅守那些數字，儘管它們僅出自 2005 年進行的一項研究，因此我們應該要謹慎參考。除了百分比，我們可以說遺傳因素對健康、漂亮的皮膚很重要，科學家們已經發現了數十種與維持皮膚紋理和膚質有關的基因。  但是黑心藥品在化妝品行銷中也不在少數，所以任何時候都必須謹慎行事。尤其在「美麗」和「科學」這兩個名詞同時出現時，但其實這種情況還蠻常見的。根據遺傳學量身訂製的保養品問題不在於有沒有科學根據—皮膚紋理和衰老都具有遺傳成分，而是在現實生活中要如何運用。

把膠原蛋白吃掉的基因變異——MMP1

以護膚主要成分的膠原蛋白為例，膠原蛋白是讓你的皮膚緊緻和年輕的蛋白質：膠原蛋白支架塌陷時，會產生皺紋，這就是為什麼它在皮膚保養中如此受重視。許多護膚 DNA 檢測著眼於 MMP1 基因的變異，這個變異編碼一種吞噬膠原蛋白的酶，因此是美麗的敵人。

DNA 檢測背後的基本原理是，某些 MMP1 的變異比其他變異更具活性

護膚公司會掃瞄你的 DNA，並據此調整你日常生活中膠原蛋白的量：MMP1 愈活躍，他們在產品中添加的膠原蛋白就愈多。從理論上來說，這似乎是很聰明的做法。實際上，不論你的遺傳組成為何，與其進行昂貴的 DNA 訂製程序，不妨考慮在日常中添加稍多的膠原蛋白，這可能是更簡單且更便宜的做法。

透過 DNA 檢測真的會比較了解自己？

相同的邏輯也適用於其他 DNA 皮膚護理檢測，例如，許多分析會針對影響氧化敏感度的變異，並決定你適合採用多少劑量的抗氧化劑：遺傳敏感度愈高，添加到你訂製產品中的抗氧化劑量就愈高。但是老話一句，如果抗氧化劑有用，那麼為什麼不直接在日常生活中加入呢？

其他護膚套組可以檢測你是否天生就是乾性皮膚，會有酒糟鼻或橘皮組織，以便你可以使用特定產品以預防這些問題。假設這些預測是正確的（在許多情況下這令人存疑），它們是否有用？即使沒有 DNA 檢測，大多數成年人也已經知道自己皮膚的弱點。流行科技網誌 Gizmodo 的記者克莉斯汀．布朗 (Kristen Brown) 嘗試了一家消費者公司的 DNA 優化護膚程序，得出了相同的結論，她寫道：「事實證明，我自己可能比嘗試破解許多奧秘的演算法更瞭解自己皮膚裡的 DNA。」

在嘗試了 4 個步驟的常規程序和 10 個據稱適合她遺傳組成的每日補充藥物之後，克莉斯汀發現她的膚質開始惡化，因此回復到她自己的兩項產品的常規程序。

未來可能有效，但是目前卻無法證實

化妝品業具有使用不實科學術語和圖像為其產品賦予高科技或醫療假象的不變傳統，這種作為在渴望新穎性且鮮有真正突破的市場中是可以理解的。儘管「肥皂水」不像「卸妝水」那樣流行，實際上它們是一樣的東西。DNA 量身訂製的護膚只是最新趨勢。這些公司引用了數十篇據稱可以支持他們主張的科學論文，但是這些研究至今仍未得到證實，它們只是與皮膚老化遺傳學相關的基礎科學，而不是旨在檢驗防治效果的實用試驗。日後檢測的結果可能有效，只是現在幾乎沒有任何科學證據能證明它們確實如此。

• 文／楊朝源

點仔膠，黏著跤。
叫阿爸，買豬腳。
豬跤箍仔滾爛爛，枵鬼囝仔~流喙瀾~

——童謠《點仔膠》

或許你曾經聽過這首童謠，但你可曾想過，歌曲中嘴饞的死小孩，一天到底可以流多少口水呢？就讓來自日本的渡辺茂先生告訴你吧！

實驗重點：嚼一嚼，吐出來，秤重

1995 年，渡辺茂先生為了測量小孩子一天可以分泌多少口水，找來了男、女各 15 位的 5 歲孩子，其中也包括自己的孩子（其他人該不會是兒子的幼稚園同學吧XD）。

實驗將一天分成三種時間：進食、非進食與睡眠，各自的分泌速率測量如下：

• 睡眠時段：分泌量少，忽略不計。
• 非進食時段的測量：在每個小孩吞下口水後計時五分鐘，在這五分鐘內小孩將不能進行任何吞嚥的動作，五分鐘後嘴裡的口水全部吐出來秤重。
• 進食時段的測量：準備了六種常見的食物，讓他們咀嚼米飯、香腸、馬鈴薯泥、餅乾、蘋果與醃蘿蔔，在感覺可以吞下的時候吐出來，研究者會將食物重新秤重，跟未經咀嚼的食物原重相比，就能得出他們分泌了多少唾液。（整個實驗就是在訓練孩子的反抗吞嚥反射啊！）

量測非進食與進食時的口水流量後，再去紀錄兩天中各每個孩子的進食與睡眠時間，最後便可以計算出小孩每天約可以分泌多少口水。

研究團隊測量出小孩在非進食的時候，口水平均流量為每分鐘 0.26 毫升。進食的時候則是吃餅乾時分泌最快，約是每分鐘 4.7 毫升，依序則是醃蘿蔔、香腸、麻鈴薯泥和蘋果，最慢的則是吃米飯時，每分鐘約分泌2.4 毫升，總平均約為每分鐘分泌 3.6 毫升。

根據測量結果，若假設一個五歲小孩一天花 80 分鐘吃東西和睡覺 9 小時，一名五歲兒童一天平均會製造出 500 毫升左右的口水。實驗結果挑戰了當時認為每個人一天會分泌至少一公升口水的概念，指出大人與小孩的口水分泌量應該有很大的差異。

在頒獎典禮上渡辺茂先生甚至帶了他的兒子來，在 20 多年後重現了這個實驗，吃香蕉、嚼嚼嚼，最後吐出來秤重。

想得到搞笑諾貝爾獎嗎？口水是你的好夥伴

靠著這看起來有點荒謬的實驗，渡辺茂先生獲得了搞笑諾貝爾化學獎，然而這個研究和化學到底有什麼關係呢？雖然研究過程與化學或許真的沒有太大關係，但作為一種化學溶液，口水可是很複雜的呀！

口水含有多種電解質、酵素與化學物質，可以初步分解澱粉來幫助消化，也具有消毒殺菌的功用。因此口水分泌量與口腔衛生與健康息息相關，氣候、年齡、甚至飲食習慣都可能影響口水分泌的多寡，也有研究指出長期抽菸會導致口水分泌量減少²，這也就是為何科學家們會對口水的流量這麼認真地研究了。

而與口腔無關的是，葡萄牙博物館研究者 Paula M. S. Romão發表了一篇關於利用口水來清潔歷史文物的文章，證明了口水中的酵素具有強大的清潔能力，也因此成為了 2018 搞笑諾貝爾化學獎的得主。

想要得到搞笑諾貝爾卻又不想研究尿尿或便便嗎？口水或許是一個相當不錯的研究選擇喔！

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參考資料

1. Watanabe, S., Ohnishi, M., Imai, K., Kawano, E., & Igarashi, S. (1995). Estimation of the total saliva volume produced per day in five-year-old children. Archives of oral biology, 40(8), 781-782.
2. Singh, M., Ingle, N. A., Kaur, N., Yadav, P., & Ingle, E. (2015). Effect of long-term smoking on salivary flow rate and salivary pH. Journal of Indian Association of Public Health Dentistry, 13(1), 11.